一种混凝土搅拌车搅拌筒内搅和料流固两相流的建模方法。用于建筑工程技术领域。本发明专利技术对于搅拌筒内搅和料复杂的密相多相流系统，结合离散单元法，并将其拓展到三维流体－固体两相流的数值模拟中，建立基于柔性化建模的颗粒群轨道柔性模型，即采用两相耦合的纳维－斯托克斯方程模拟流体连续相，同时运用离散单元法模拟颗粒离散相之间的相互作用，颗粒与颗粒的碰撞采用离散单元法进行柔性化建模，实现对搅和料的三维流固两相流的数值仿真，最终达到对搅拌筒参数的优化。本发明专利技术大大降低了搅拌筒设计的工作强度，提高了设计效率，同时搅拌筒性能也得到了优化和提高。用该方法设计的搅拌筒性能好，并已投入大批量生产，取得了良好的经济和社会效益。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种搅拌筒内搅和料建模方法，具体是一种。用于建筑工程
技术介绍
混凝土搅拌车搅拌筒设计中，必须对搅拌筒的搅拌机理有深入的了解。由于混凝土是一种固液混合的粘性物质，搅拌筒内混凝土的流动可以视作是由沙子、石块和流体所组成的一个多相流系统的运动，属于一种复杂的密相多相流系统。因此搅拌过程中混凝土搅和料的流动形态十分复杂。该类系统中颗粒间的相互作用对颗粒的运动形态乃至整个流场都有着不可忽略的影响。通常的两相流模型对于解析密相颗粒的流体-固体两相流并不适用。目前国内外对于该类问题采用基于碰撞概率的串形轨道跟踪法以及已冲量计算为根本的黏接-滑移碰撞模型等。但这些模型都把颗粒间的碰撞看成是瞬时的、两个粒子之间的弹性碰撞。但在实际问题中，两相流中存在着多颗粒同时相互碰撞，而且碰撞也并非是瞬时的完全弹性碰撞。目前在混凝土搅拌车搅拌简的设计中，主要方法有1.基于物料在螺旋叶片上的搅拌出料机理模型进行参数计算。如杨纪明提出的物料下滑角与螺旋叶片螺旋角的临界线图。该方法主要从出料的角度来计算搅拌筒螺旋叶片的参数，并未考虑混凝土离析的情况。2.基于离散单元法的粒子沉降和离析数值模拟。即采用离散单元法建立搅拌筒内的粒子模型，并在搅拌筒旋转边界条件下获得粒子的进化过程。该方法只是单独使用离散单元法建立粒子(搅和料的颗粒相)模型，并未与两相流相结合建立搅拌筒内搅和料的真实模型。3.基于试验模式的离析度分析设计。Hill，K.M等在“Pattern evolution of granular mediarotated in a drum mixer(粒子在旋转搅拌筒内的分布变化规律)”(MaterialsResearch Society Symposium-Proceedings，v 463，Statistical Mechanicsin Physics and Biology，1997，p 227-232)(材料研究学术研讨会-物理和生物统计力学，会议论文集，463卷，227-232页，1997)中采用CCD摄像机和核磁共振的方法获取搅拌筒搅动时的粒子进化过程图像，以得到搅拌筒内搅和料的离析模型。该方法需要投入大量的时间进行试验并分析数据，设计周期长、反复试验的成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中存在的以上问题，提供一种，将离散单元法拓展到三维流固两相流的数值模拟中，建立基于离析度最小为主要评价的混凝土搅拌车搅拌筒内搅和料密相两相流的颗粒群轨道柔性模型。该模型改变了以往通用的两相流模型无法真实解析搅拌筒内搅和料的密相多相流的瓶颈，可以采用数值模拟的方法对搅拌筒参数进行优化设计。本专利技术是通过以下技术方案实现，方法如下对于搅拌筒内搅和料复杂的密相多相流系统，结合离散单元法，并将其拓展到三维流体-固体两相流的数值模拟中，建立一种基于柔性化建模的颗粒群轨道柔性模型，即采用两相耦合的纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程模拟流体连续相，同时运用离散单元法模拟颗粒离散相之间的相互作用，颗粒与颗粒的碰撞采用离散单元法进行柔性化建模，实现对搅和料的三维流固两相流的数值仿真，最终达到对搅拌筒参数进行优化。以下对本专利技术方法作进一步的说明，具体内容如下1、所述的两相耦合的纳维-斯托克斯方程，具体如下由于固体颗粒相的存在，必然会对流体相的流动产生影响。因此，流体相模型中必须加入流体-颗粒两相相互作用而产生的附加源相，以表达离散颗粒相对连续流体相的反作用耦合现象。两相耦合的纳维-斯托克斯方程与一般纳维-斯托克斯方程的区别在于把颗粒对流体的作用看成是动量方程中的附加源项Sp，即方程的动量守恒方程为∂(ϵρui)∂t+(▿·ϵρuiuj)=-ϵ▿p-(▿·ϵτ)+ϵρgi+Sp---(j=1,2,3)]]>计算附加源项Sp时将作用于流体上的总作用力分配到包围颗粒的计算网格体或结点上。因此，上式中的Sp(N/m3)的表达式如下 Sp=-1VΣi=0NpartV→pβ(1-ϵ)(u→-v→i)δ(r-ri)dV]]>其中r为粒子在空间上的位置，δ函数是为了保证作用力在系统中是作用在粒子位置上的一个点力而存在。对于流固两相流问题的流场计算，采用压力连接方程式的半隐式算法(SIMPLE算法)，即利用质量守恒方程使假定的压力场能不断的随迭代过程的进行而得到改进。2、所述的运用离散单元法模拟颗粒离散相之间的相互作用，具体实现如下将颗粒体间的碰撞视为非弹性的柔性碰撞，并有摩擦力存在。运用离散单元法将球体空间接触时的相互作用简化为弹簧、阻尼器和滑动摩擦器，粒子间的接触力包含弹性力、阻尼力和滑动摩擦力，并考虑流体相对颗粒的作用力，利用牛顿第二运动定律及欧拉方程，可将离散单元法中颗粒的运动方程式修正为mpdV→pdt=Σk=1NpF→pk+F→oj+F→g---(j=1,2,3)]]>Iidω→jdt=Σ(rj×F→abτ)---(j=1,2,3)]]>其中 为由重力及浮力的合力(F→oj=gj(ρp-ρ)ρp),]]> 为流体对颗粒的作用力，包括曳力 升力、马格纳斯(Magnus)力、虚假质量力、压力梯度力等，但大多数情况下，除曳力(也称为阻力)外的其它各力都不是很重要，可以忽略不计。曳力 的表达式为f→D=β·Volp1-ϵ]]>其中Volp为颗粒体积。当ε＜0.8的时候，β由欧根(Ergun)方程决定β=150(1-ϵ)2ϵμ2R2+1.75(1-ϵ)ρg2R(uj-V→p)]]>对于ε≥0.8的情况，β由下述表达式定义 β=34Cdϵ(1-ϵ)2Rρg(uj-V→p)ϵ-2.65]]>其中μ为流体动力粘度，ρp为颗粒密度，Cd为曳力系数 其中颗粒雷诺数Rep=&epsiv本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种混凝土搅拌车搅拌筒内搅和料流固两相流的建模方法，其特征在于，对于搅拌筒内搅和料复杂的密相多相流系统，结合离散单元法，并将其拓展到三维流体－固体两相流的数值模拟中，建立基于柔性化建模的颗粒群轨道柔性模型，即采用两相耦合的纳维－斯托克斯方程模拟流体连续相，同时运用离散单元法模拟颗粒离散相之间的相互作用，颗粒与颗粒的碰撞采用离散单元法进行柔性化建模，实现对搅和料的三维流固两相流的数值仿真，最终达到对搅拌筒参数的优化。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：邵萌，王安麟，朱灯林，梁波，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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